栽培西瓜與野生西瓜果實發(fā)育 過程中的轉(zhuǎn)錄組比較分析

郭紹貴 孫宏賀 張海英 劉景安 任毅 宮國義 焦晨 鄭軼 楊文才 費章君 許勇

目的與意義：西瓜是一種重要的水果作物，但其果實發(fā)育和成熟的分子機制尚不清楚。為了更好地了解導(dǎo)致其果實發(fā)育差異的遺傳基礎(chǔ)，對栽培西瓜自交系‘97103和野生種質(zhì)‘PI296341-FR進行比較果實轉(zhuǎn)錄組分析，并對果實發(fā)育過程中特別的代謝產(chǎn)物進行綜合分析，以便為深入了解西瓜果實品質(zhì)形成和成熟過程中的基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供依據(jù)。

材料與方法：以‘97103果肉和中果皮及‘PI296341-FR果肉為材料，分別在果實未成熟期（10 DAP）、轉(zhuǎn)色期（18 DAP）、紅熟期（26 DAP）和完熟期（34 DAP） 4個關(guān)鍵發(fā)育階段取樣，以便進行轉(zhuǎn)錄組比較分析。采用華越洋RNA試劑盒提取總RNA，制備鏈特異RNA-Seq文庫，Illumina HiSeq 2000平臺進行單末端100 bp高通量測序。使用Trimmomatic和Bowtie處理原始RNA-Seq數(shù)據(jù)，使用Tophat將得到的高質(zhì)量數(shù)據(jù)與西瓜基因組序列比對。使用DESeq、LIMMA、Benjamini-Hochberg鑒定差異表達基因，GO、TermFinder、Plant MetGenMAP進行差異表達基因功能分析。利用LightCycler480進行qRT-PCR檢測，驗證基因表達。

結(jié)果與分析：（1）基因表達分析：采用Illumina平臺對14個樣品進行鏈特異RNA高通量測序，共獲得3.218億條高質(zhì)量數(shù)據(jù)。其中栽培型西瓜‘97103果肉和中果皮和野生型西瓜‘PI296341-FR果肉中分別有18 198（77.6%），18 392（78.5%）和17 954（76.6%）個基因表達。組織基因差異表達分析顯示，‘97103和‘PI296341-FR的果肉和中果皮分別有2 452、826和322個基因在果實發(fā)育和成熟過程中差異表達。其中，‘97103果實的果肉、中果皮和‘PI296341-FR果實的果肉中，分別有2 064、530和139個基因的特異性表達。以上數(shù)據(jù)表明，在‘97103果實發(fā)育過程中，更多的基因在果肉中有差異表達，這與‘97103果實發(fā)育過程中僅在果肉中出現(xiàn)了一系列的生理生化變化，如顏色、質(zhì)地、含糖量等是一致的。這些結(jié)果反映了‘97103果肉基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。（2）差異表達基因的基因功能GO富集分析：與西瓜果實品質(zhì)發(fā)育和成熟相關(guān)的生物學(xué)功能只在‘97103果肉中富集，這些基因在‘97103果肉中的差異表達的基因?qū)υ耘辔鞴虾鸵吧鞴瞎麑嵠焚|(zhì)差異的形成至關(guān)重要。在‘PI296341-FR果肉發(fā)育的差異表達基因中，幾乎沒有品質(zhì)發(fā)育和成熟相關(guān)的生物學(xué)功能富集，這些差異表達基因主要富集于主要與非生物脅迫反應(yīng)等生物學(xué)功能分類，這一結(jié)果與‘PI296341-FR具有更強的逆境脅迫耐受性一致。（3）代謝途徑分析：在‘97103果肉和中果皮及‘PI296341-FR果肉中的差異表達基因分別參與了204條、88條和34條代謝途徑，其中分別有50條、17條和5條代謝途徑發(fā)生了顯著變化。這些變化顯著的代謝途徑可能是導(dǎo)致栽培西瓜與野生西瓜果實品質(zhì)差異的關(guān)鍵基因網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)? ? 論：利用高通量的RNA-seq技術(shù)對栽培西瓜和野生西瓜進行基因表達比較分析，獲得了3.218億條高質(zhì)量數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)集首次系統(tǒng)展示了野生西瓜果實發(fā)育過程基因表達譜，研究發(fā)現(xiàn)了多個影響西瓜果實品質(zhì)的關(guān)鍵基因，鑒定了乙烯生物合成中的調(diào)控基因和成熟相關(guān)的信號通路。盡管西瓜屬于非呼吸躍變型水果，但乙烯也參與了西瓜果實品質(zhì)調(diào)控。為深入了解西瓜果實發(fā)育成熟的分子機制提供了新視角。